Диоди: pn връзка, видове, конструкция и работа

Какво е диод?

Като цяло всички електронни устройства се нуждаят от постояннотоково захранване, но е невъзможно да се генерира постояннотоково захранване, така че имаме нужда от алтернатива, за да получим малко постояннотоково захранване, така че използването на диоди се появява в картината за преобразуване на променливотоковото захранване в постояннотоково захранване. Диодът е малък електронен компонент, използван в почти всички електронни схеми, за да позволи потока на тока само в една посока ( еднопосочно устройство ). Можем да кажем, че използването на полупроводникови материали за изграждане на електронните компоненти е започнало с диоди. Преди изобретението на диод имаше вакуумни тръби, където приложенията на двете устройства са сходни, но размерът, зает от вакуумната тръба, ще бъде много по-голям от диодите. Конструкцията на вакуумните тръби е малко сложна и те са трудни за поддръжка в сравнение с полупроводниковите диоди. Малко приложения на диодите са коригиране, усилване, електронен превключвател, преобразуване на електрическата енергия в светлина и светлината в електрическа енергия.

История на диода:

През 1940 г. в Bell Labs Ръсел Ол работи със силициев кристал, за да открие свойствата му. Един ден случайно, когато силициевият кристал, който има пукнатина в него, е изложен на слънчевата светлина, той открива потока на тока през кристала и това по-късно се нарича диод, което е началото на полупроводниковата ера.

Изграждане на диод:

Твърдите материали обикновено се класифицират в три типа, а именно проводници, изолатори и полупроводници. Проводниците имат максимален брой свободни електрони, изолаторите имат минимален брой свободни електрони (пренебрежимо малък, че потокът на ток изобщо не е възможен), докато полупроводниците могат да бъдат или проводници, или изолатори в зависимост от потенциала, приложен към него. Полупроводниците, които се използват общо, са силиций и германий. Предпочита се силиций, тъй като той е в изобилие на земята и дава по-добър термичен обхват.

Освен това полупроводниците се класифицират в два типа като вътрешни и външни полупроводници.

Вътрешни полупроводници:

Те също се наричат ​​чисти полупроводници, където носителите на заряд (електрони и дупки) са в еднакво количество при стайна температура. Така че токовата проводимост се извършва както от дупки, така и от електрони еднакво.

Вътрешни полупроводници:

За да се увеличи броят на дупките или електроните в даден материал, ние се насочваме към външни полупроводници, където към силиция се добавят примеси (различни от силиций и германий или просто тривалентни или петивалентни материали). Този процес на добавяне на примеси към чистите полупроводници се нарича допинг.

Образуване на полупроводници от тип P и N:

N-тип полупроводник:

Ако към Si или Ge се добавят петивалентни елементи (броят на валентните електрони са пет), тогава има свободни електрони. Тъй като електроните (отрицателно заредени носители) са повече на брой, те се наричат полупроводници от N-тип . В N-тип полупроводниковите електрони са мажоритарни носители на заряд, а дупките са малки носители на заряд.

Малко петивалентни елементи са фосфор, арсен, антимон и бисмут. Тъй като те имат излишен валантен електрон и са готови да се сдвоят с външната положително заредена частица, тези елементи се наричат донори .

Полупроводник P-тип

По същия начин, ако към Si или Ge се добавят тривалентни елементи като бор, алуминий, индий и галий, се създава дупка, тъй като редица валентни електрони в нея са три. Тъй като дупката е готова да приеме електрон и да се сдвои, тя се нарича акцептори . Тъй като броят на отворите са излишък в новообразуваната материал те се наричат като р-тип полупроводници . В полупроводниковите отвори тип P са мажоритарни носители на заряд, а електроните - малцинствени носители на заряд.

PN свързващ диод:

Сега, ако обединим двата типа полупроводници P-тип и N-тип заедно, тогава се формира ново устройство, наречено PN свързващ диод. Тъй като кръстовището се образува между материал тип P и тип N, то се нарича PN съединение.

Думата диод може да се обясни като „Di“ означава две, а „ода“ се получава от електрод. Тъй като новообразуваният компонент може да има два терминала или електроди (единият е свързан към P-тип, а другият към N-тип), той се нарича диод или PN-свързващ диод или полупроводников диод.

Терминалът, свързан към материал от тип P, се нарича Anode, а терминалът, свързан към материал от тип N, се нарича катод .

В символично представяне на диода е както следва.

Стрелката показва потока на ток през него, когато диодът е в режим с пристрастие напред, тирето или блокът на върха на стрелката показва блокирането на тока от обратната посока.

Теория на PN прехода:

Видяхме как се прави диод с P и N полупроводници, но трябва да знаем какво се случва вътре в него, за да образува уникално свойство да пропуска ток само в една посока и какво се случва в точната точка на контакт първоначално в кръстовището му.

Образуване на кръстовището:

Първоначално, когато и двата материала се обединят (без да се прилага външно напрежение), излишните електрони в N-типа и излишните дупки в P-типа ще се привличат един към друг и се рекомбинират, когато образуването на неподвижни йони (донорен йон и Acceptor ion) се извършва, както е показано на снимката по-долу. Тези неподвижни йони се противопоставят на потока от електрони или дупки през него, които сега действат като бариера между двата материала (образуването на бариера означава, че неподвижните йони се дифузират в P и N области). Бариерата, която сега се формира, се нарича област на изчерпване . Ширината на областта на изчерпване в този случай зависи от концентрацията на допинг в материалите.

Ако концентрацията на легиране е равна и в двата материала, тогава неподвижните йони се дифузират еднакво както в Р, така и в N материалите.

Ами ако концентрацията на допинг се различава помежду си?

Е, ако допингът се различава, ширината на региона на изчерпване също се различава. Неговата дифузия е по-скоро в слабо допираната област и по-малко в силно легираната област .

Сега нека видим поведението на диода, когато се прилага правилно напрежение.

Диод в пристрастие напред

Има брой диоди, чиято конструкция е сходна, но видът на използвания материал се различава. Например, ако разгледаме светодиод, той е направен от алуминий, галий и арсенид, които при възбуждане отделят енергия под формата на светлина. По същия начин се разглеждат вариации в свойствата на диода като вътрешен капацитет, прагово напрежение и т.н. и на базата на тях се проектира определен диод.

Тук обяснихме различни видове диоди с тяхната работа, символ и приложения:

• Ценеров диод
• LED
• ЛАЗЕРЕН диод
• Фотодиод
• Варакторен диод
• Диод на Шотки
• Тунелен диод
• ПИН диод и т.н.

Нека да видим накратко принципа на работа и конструкцията на тези устройства.

Ценеров диод:

Областите P и N в този диод са силно легирани, така че регионът на изчерпване е много тесен. За разлика от нормалния диод неговото напрежение на пробив е много ниско, когато обратното напрежение е по-голямо или равно на напрежението на пробив, зоната на изчерпване изчезва и постоянно напрежение преминава през диода, дори ако обратното напрежение се увеличи. Следователно диодът се използва за регулиране на напрежението и поддържане на постоянно изходно напрежение, когато е правилно пристрастен. Ето един пример за ограничаване на напрежението с помощта на Zener.

Пробивът в ценеровия диод се нарича като ценеров пробив . Това означава, че когато се прилага обратното напрежение към ценеровия диод, в кръстовището се развива силно електрическо поле, което е достатъчно за прекъсване на ковалентните връзки в кръстовището и причинява голям поток от ток. Ценеровият пробив се причинява при много ниски напрежения в сравнение с лавинния пробив.

Има и друг тип повреда, наречена лавинна повреда, която обикновено се наблюдава при нормалния диод, който изисква голямо количество обратно напрежение, за да прекъсне кръстовището. Неговият принцип на работа е, когато диодът е обърнат, малките токове на утечка преминават през диода, когато обратното напрежение се увеличава допълнително, токът на утечка също се увеличава, което е достатъчно бързо, за да прекъсне няколко ковалентни връзки в кръстовището, тези нови носители на заряд допълнително се разрушават останалите ковалентни връзки, причиняващи огромни течове, които могат да повредят диода завинаги.

Светодиод (LED):

Конструкцията му е подобна на обикновен диод, но се използват различни комбинации от полупроводници за генериране на различни цветове. Той работи в пристрастен режим напред. Когато рекомбинацията на електронната дупка се проведе, се освобождава получения фотон, който излъчва светлина, ако напрежението напред се увеличи допълнително, ще се освободят повече фотони и интензивността на светлината също се увеличава, но напрежението не трябва да надвишава праговата си стойност, в противен случай светодиодът се поврежда.

За генериране на различни цветове се използват комбинациите AlGaAs (алуминиев галиев арсенид) - червен и инфрачервен, GaP (галиев фосфид) - жълт и зелен, InGaN (индий галиев нитрид) - сини и ултравиолетови светодиоди и т.н. Проверете проста LED схема тук.

За IR LED можем да видим неговата светлина през камера.

ЛАЗЕРЕН диод:

LASER означава Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация. PN съединение се формира от два слоя легиран галиев арсенид, където на единия край на съединението се нанася силно отразяващо покритие, а на другия - частично отразяващо покритие. Когато диодът е пристрастен напред, подобно на светодиода, той освобождава фотони, те удрят други атоми, така че фотоните ще се освободят прекомерно, когато фотон удари отражателното покритие и отвърне на връзката отново, повече фотони се освобождават, този процес се повтаря и лъч с висока интензивност светлината се освобождава само в една посока. Лазерният диод се нуждае от драйверна схема, за да работи правилно.

Символичното представяне на LASER диод е подобно на това на LED.

Фото диод:

При фотодиод токът през него зависи от светлинната енергия, приложена към PN прехода. Работи се в обратен отклонение. Както беше обсъдено по-рано, малкият ток на изтичане протича през диод, когато е обърнат, което тук се нарича тъмен ток . Тъй като токът се дължи на липса на светлина (тъмнина), той се нарича така. Този диод е конструиран по такъв начин, че когато светлината удря кръстовището, е достатъчно да се прекъснат двойките електронни дупки и да се генерират електрони, което увеличава обратния ток на изтичане. Тук можете да проверите Фотодиода, работещ с IR LED.

Варакторен диод:

Нарича се още като диод Varicap (променлив кондензатор). Той работи в режим на обратна пристрастност. Общата дефиниция на кондензаторно разделяне на проводящата плоча с изолатор или диелектрик, когато нормалният диод е обърнат назад, ширината на областта на изчерпване се увеличава, тъй като областта на изчерпване представлява изолатор или диелектрик, сега може да действа като кондензатор С промяната на обратното напрежение причинява вариране на разделянето на P и N области, което води до диода да работи като променлив кондензатор.

Тъй като капацитетът се увеличава с намаляване на разстоянието между плочите, голямото обратно напрежение означава нисък капацитет и обратно.

Диод на Шотки:

Полупроводникът от тип N е свързан към метала (злато, сребро), така че в диода съществуват електрони с високо енергийно ниво, те се наричат горещи носители, така че този диод се нарича още диод с горещ носител . Той няма малцинствени носители и не съществува зона на изчерпване, а съществува метален полупроводников възел, когато този диод е пристрастен напред, той действа проводник, но зарядът има високи енергийни нива, които са полезни при бързо превключване, особено в цифровите схеми използва се в микровълнови приложения. Проверете диода на Шотки в действие тук.

Тунелен диод:

Областите P и N в този диод са силно легирани, така че съществуването на изчерпване е много тясно. Той показва отрицателна област на съпротивление, която може да се използва като осцилатор и микровълнови усилватели. Когато този диод е пристрастен напред, първо, тъй като областта на изчерпване е тясна, електроните преминават през него, токът бързо се увеличава с малка промяна в напрежението. Когато напрежението се увеличи допълнително, поради излишните електрони в кръстовището, ширината на областта на изчерпване започва да се увеличава, причинявайки блокиране на предния ток (където се образува отрицателната област на съпротивление), когато напрежението напред се увеличава, той действа като нормален диод.

PIN диод:

В този диод P и N областите са разделени от присъщ полупроводник. Когато диодът е обърнат, той действа като кондензатор с постоянна стойност. В състояние на пристрастие напред той действа като променливо съпротивление, което се контролира от тока. Използва се в микровълнови приложения, които трябва да се управляват от постояннотоково напрежение.

Символичното му представяне е подобно на нормален PN диод.

Приложения на диоди:

• Регулирано захранване: Практически е невъзможно да се генерира постояннотоково напрежение, единственият наличен тип източник е променливо напрежение. Тъй като диодите са еднопосочни устройства, той може да се използва за преобразуване на променливо напрежение в пулсиращ постоянен ток и с допълнителни филтриращи секции (с помощта на кондензатори и индуктори) може да се получи приблизително постояннотоково напрежение.

• Вериги на тунера: В комуникационните системи в края на приемника, тъй като антената приема всички радиочестоти, налични в космоса, е необходимо да изберете желана честота. Така че се използват тунерни вериги, които не са нищо друго освен веригата с променливи кондензатори и индуктори. В този случай може да се използва варакторен диод.

• Телевизори, светофари, табла: За да се показват изображения на телевизори или на табла се използват светодиоди. Тъй като LED консумира много по-малко енергия, той се използва широко в осветителни системи като LED крушки.

• Регулатори на напрежение: Тъй като Zener диодът има много ниско напрежение на пробив, той може да се използва като регулатор на напрежение, когато е обърнато.

• Детектори в комуникационни системи: Добре известен детектор, който използва диод, е детектор на обвивка, който се използва за откриване на пиковете на модулирания сигнал.